研究課題
本研究では，レーザーとプラズマの相互作用におけるイオンビームの輸送と追加速方法の探索を目的としている。レーザー生成のイオンビームを，粒子線がん治療や基礎研究他の実用に供するために様々な制御が必要であり，目的に合った粒子エネルギー，エネルギースペクトル，ビーム長などの制御の高度化が欠かせない。本年度は，イオンビームのコリメーションとバンチング方法について研究を行った。レーザーとターゲットとの相互作用において生成される電場と磁場のレーザーパラメータおよびターゲットへの依存性を調べた。この際，現実的に利用しやすくターゲット作製のしやすさを考慮して，固体薄膜ターゲットとガスプラズマを想定し，生成される電場磁場の各パラメータ依存性を調べた。まず，レーザー照射側から見て固体ターゲットの背面に，ビームスポットサイズオーダーの無数の穴を開けることで，すでに加速されたプロトンビームのコリメーションの研究を行った．レーザー生成のイオンビームは一般に横方向の発散角を持つ．この発散角を各穴の側面に形成される横方向の電場を用いることで，大きく改善することに成功した．例えば，レーザー生成イオンビームが生成直後には約10度程度の発散角を持っていたものが，コリメーションデバイスを用いることで数度程度まで大きく減少させることができた．一方，イオンビームが複数の穴にかかる場合，イオンビームはうまくコリメーションされるが，複数のイオンビームに分割されることも新たに分かった．この点についても今後研究を進めたい．次に，レーザー生成のイオンビームに見られるイオンの進行方向の速度差によるビームの縦方向の広がりの抑制（バンチング）について研究を行った．このため，臨界密度近傍の密度を持つガスターゲット中にレーザーにより生成された誘導電場を用いる方法を試し，ある程度のビームの速度差を解消できた．
2: おおむね順調に進展している
初年度は，既に加速されたイオンビームの縦方向と横方向の広がりを制御する方法を探ることが目的であった．イオンビームの縦と横方向の広がりは，レーザー生成のイオン源には共通に見られる．横方向の広がりは，薄膜ターゲットの背面に無数の穴を開けた構造の側面に形成される横方向の電場を用いることで，上手く制御できた．これは今年度の大きな成果であった．加えて，ターゲットのアラインメントエラーのイオンビームコリメーションへの影響についても調べた．イオンビームとレーザー照射側から見て，ターゲット背面の無数の穴の位置をレーザー軸に合わせることは難しい．そこで，イオンビームやレーザーが背面の複数の穴にかかるような場合についても研究を行った．その結果，イオンビームが複数に分割されるものの，分割幅は数ミクロンメートル程度であること，分割されたそれぞれのイオンビームは充分小さな発散角に抑えられていることが分かった．将来に向けて，複数に分割されたイオンビームを再度一つにスタッキングさせる必要が出る可能性もある．その場合のために，次年度以降にはイオンビームのスタッキング方法についても検討したい．また，イオンビームのバンチングについては，近臨界密度プラズマ中にレーザーで形成される誘導加速電場でイオンビームのテールを加速するビームバンチングをまず研究した．ある程度のイオンビームの縦方向の広がりを抑えることに成功した．加えて，2枚の固体薄膜ターゲットと一つのレーザーパルスを用いて，生成された薄膜面に垂直方向の加速と減速電場を組み合わせることでも，よくバンチングができることも見つけた．後者については，次年度に継続して研究を進める予定である．一方，近臨界密度プラズマ中に形成される移動する進行方向の誘導電場をうまく利用することで，イオンビームの追加速方法の研究にも着手した．このように本研究計画は順調に進んでいる．
実際に，レーザー生成のイオンビームを実用に供しようとすると，追加速に加えて，縦方向のビームバンチングの制御，イオンビームの空間的に横方向への広がりを制御すること等を，組み合わせて用いることが，長距離のイオンビームの輸送には欠かせない。そのためには，それぞれの要素に用いられる薄膜またはガスターゲットおよびレーザーパラメータの変化に対してロバストでなければならない。今後，これらシステムとしてのロバスト性についても詳細に調べる。これにより，レーザーイオン加速システムとして必要になる各コンポーネントに関する研究とともに，全体システムをどのように構成するかを検討する。初年度で，イオンビームのコリメーションとバンチング機能を持つデバイスを探ることができた．これらのデバイスに，追加速デバイス等を組み合わせる必要がある．初年度に彫られた成果をベースに，コリメーションとバンチングデバイスのロバスト性を追求したい．既にコリメーションデバイスではイオンビームが複数のイオンビーム群に分割されうる場合があることが分かった．またバンチングにおいては，イオンビームのテール部分を先端部分より進行方向にさらに早くすることができれば，イオンビーム輸送中にビームの縦方向の長さを短くすることができると思われる．これができた直後に，追加速を行うとより効果的に追加速も可能になる．これらを追求していきたい．最終的には，広がりを抑えられた高品質のイオンビームの平均プロトンエネルギーを250MeV~400MeV程度まで上昇させたい．
すべて 2016 2015 その他
すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 7件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 2件、 謝辞記載あり 7件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 4件、 招待講演 2件)
Journal of Physics: Conference Series
巻: 691 ページ: 012021-1~8
10.1088/1742-6596/691/1/012021
Physics of Plasmas
巻: 23 ページ: 033113-1~5
10.1063/1.4943408
巻: 22 ページ: 1031021~6
10.1063/1.4932997
巻: 22 ページ: 083112-1~6
巻: 22 ページ: 083110-1~6
10.1063/1.4927583
巻: 22 ページ: 073107-1~4
10.1063/1.4926589
Euro physics Letters
巻: 110 ページ: 35002-1~5
10.1209/0295-5075/110/35002
